開采損害學課程講義-1

第7章相似材料模擬方式概述重點：①相似材料模擬實驗的大體原理；②相似材料模擬實驗的應用范圍；相似材料模型鋪設方式；④觀測點設置及數(shù)據(jù)搜集、處置方式；⑤實驗結果分析評判方式。與現(xiàn)場觀測研究相較，模擬研究方式有以下優(yōu)勢：1)模擬研究是在特定條件下，作了必然的簡化，研究重點問題，簡單易行；2)模擬研究能夠研究在實際觀測中很難實施的工作。如峻峭山區(qū)的觀測工作，巖3)模擬研究能夠依照不同的開采方案，進行反復實驗，以確信最優(yōu)的開采方式。而實際開采中的觀測只能在特定的時刻地址進行。與現(xiàn)場實測研究相較，模擬研究方式有以下缺點：1)采動地表巖層的移動變形破壞是受地質構造、采礦方式、巖體的物理力學性質、水文條件等復雜因素的阻礙。而若是模擬的模型簡化構造的不妥，會致使錯誤的結論；2)模擬的巖體參數(shù)的選擇與原巖狀態(tài)中的巖體參數(shù)有必然的不同，除此之外，由于模擬的模型一樣不能取的專門大，模擬實驗的邊界效應很難確信。一樣僅作一些定性的研究，要緊研究開采引發(fā)巖層與地表移動變形的要用其它的方式進行配合和檢查。相似材料模擬實驗相似材料模擬分析大體原理對物理現(xiàn)象進行模擬的研究的依據(jù)是相似學說，相似學說對相似現(xiàn)象的大體性質及被研究現(xiàn)象之間的相似特點是用以下三個相似定理來表述：而相似指標即表示相似原理與模型之間應知足的比例關系。相似判據(jù)那么表示原型與模型內各大體物理量之間應知足的比例關系。量綱分析的方式轉換成用相似判據(jù)方程來表達的新方程，即轉換成方程。兩個相似系統(tǒng)的方程必需相同。”3)第三相似定律——相似逆定律。相似逆定律以為：只有具有相同的單值條件和相同的主導相似判據(jù)時，現(xiàn)象才相互相似。單值條件相同是指：該系統(tǒng)激活條件相似；在被研究進程中具有全然意義的物理常數(shù)成正比例；該系統(tǒng)初始狀態(tài)相似；在整個研究進程中，該系統(tǒng)邊界條件相似。主導相似判據(jù)是指在系統(tǒng)中具有重要意義的物理常數(shù)和幾何性質所組成的判據(jù)。單值條件和相似判據(jù)1.單值條件和相似判據(jù)模型與原型各部份的尺寸應按一樣的比例縮小或放大，即知足：|m(7-1)llAa常數(shù)。Aa常數(shù)。V—在設計模型時，關于二維應力模型，只要求維持平面尺寸的幾何相似，不要求厚度3.物理相似=1在相似模型中，其操縱作用的物理常數(shù)往往因模型中所需要解決的問題不同而異。下面介紹各類問題中對選擇相似材料有操縱作用的物理常數(shù)。(1)研究彈性范圍內圍巖的應力和變形a)不考慮自重時要緊的物理相似常數(shù)表達為：a=p|m(7-2)a=aE(7-3)b)考慮自重時，要緊的物理相似常數(shù)表達為：pp(7-4)在彈性范圍內，原型與模型都應知足微分平穩(wěn)方程。知足該方程的相似指標為：a(7-5)同時也應知足：a=a。E(2)研究圍巖的破壞進程a)要緊的相似常數(shù)除知足上述應力與變形的條件外，在這種問題中還應知足強度相似的要求。嚴格地講，應當使模型材料與原型材料的強度曲線相似。但這一要求往往很難完全知足。通常多采納簡化的方法，即取摩爾圓的包絡線為直線。()c()ac()cm知足a=pcC()t()與at()tm 0與a=p00m(7-7)b)要緊相似指標與相似判據(jù)aaMa=1ap(7-8)p=mppmm(7-9)[]=lm.ym.[]cmlycppp(7-10)[]=lm.ym.[]tmlytppp(7-11)[C]=lm.ym.[C]mlyppp(7-12)摩擦角是無量綱的，因此在模型與原型中a=1即：0=0。0mp(3)研究圍巖在長期開采條件下的破壞進程除應知足第(1)、(2)類問題外，另一個要緊的物理量是時刻。一樣地講，時刻相似常數(shù)at與幾何相似常數(shù)al間的關系為：a=atl(7-13)當涉及蠕變問題時，從理論上，應使原型材料與模型材料二者的蠕變進程相似。事實上，不論對原型材料仍是對模型材料，在這方面都缺乏足夠的數(shù)據(jù)。因此，相似的要求幾乎是不可能實現(xiàn)的。一些專家通過實驗近似的解決了這一難題。4.初始狀態(tài)對巖體來講，最重要的初始狀態(tài)是它的結構狀態(tài)。為此就需要模擬：(1)巖體結構特點；(2)結構面的散布特點；(3)結構面上的力學性質。在模擬各類不持續(xù)結構面時，第一應當區(qū)別哪些對所研究的問題有決定性意義。往往一并考慮在巖石本身的力學性質之內，可采取降低不持續(xù)面所在巖石彈性模量與強理論上，在原型與模型中，結構體的形狀與大小應維持與整體模型相同的幾何相似關系。但從變形角度來看，不論模型塊體接觸如何緊密，其間隙老是大于按原型縮制的要求，這就可能致使整個體系的變形過大。為了維持原型與模型在整體上的變形相似，常常不能不適本地減小模型中不持續(xù)面的頻率。5.邊界條件相似模型的邊界條件應與原型盡可能一致。形。。因此用外部加載方式研究問題時，模擬的范圍至少應大于開挖空間的三倍。相似材料1.選擇相似材料①相似材料的要緊力學性質與模擬的巖層或結構相似；②材料力學性能穩(wěn)固，改變材料配比，可調整材料的某些性質以適應相似條件的需③制作方便，本錢低，來源豐碩。骨料要緊有：砂子、粘土；作骨料和分層材料的云母粉；用于增大相似材料容重的鐵粉；用于減小材料容重的軟木屑、爐渣等輕骨料；用于吸收混合物中多余水與降低相似材料的彈性模量的硅藻土；改善材料熱傳導性的鋁粉。膠結材料要緊有：熟石灰、水泥、增加材料脆性的石灰、作為膠結劑的樹脂、使膠結石英砂取得結實的脆性的水玻璃和用來降低材料強度的碳酸鈣。依照模擬對象與所采納的幾何相似常數(shù)不同，目前國內外應用于巖石力學模型上的夠分為以下類型：(1)模擬混凝土壩的相似材料；(2)模擬巖石的相似材料；(3)模擬地質構造的相似材料。模擬巖石的相似材料通常有：以石膏為要緊膠結物的相似材料、石膏鉛丹砂漿相似材料和以環(huán)氧樹脂為膠結物的相似材料。以石膏為要緊膠結物的相似材料目前利用的最為普遍。徑的砂子。2.進行相似材料配比實驗在進行相似材料實驗時，先將填料和膠結物按必然的配比稱量好，混合在一路，攪拌均勻。然后按總料量的比例或按主膠結物的比例，加入必然量溶有緩凝劑的水，攪勻后做成相似材料試件。加入緩凝劑的目的在于使相似材料混合物的初凝和終凝時刻延長。在用石膏作為主膠結物的相似材料中，一樣用硼砂或動物膠作緩凝劑。相似材料試件做晾干才能測定其力學性質。試件干燥時刻一樣為3~10d。試件干燥后就可進行強度和變形性質的測定。試件能夠做成圓柱形、方柱形、立方(1)抗壓強度的測定將試件放在小型實驗機上，緩慢均勻地加載，直到試件破壞。依如實踐破壞時的最大荷載和試件尺寸，按下式計算抗壓強度：PR=cFR=9Pch(7-14)(7-15)(2)抗拉強度的測定采納細棒對徑辟拉法測定抗拉強度。將圓柱形試件橫放在小型壓力機上，并在試件徑向方向的上下方各放置一根細棒，在壓力機均勻施加的荷載作用下，試件被劈開，如22ar81r83b從彈性力學分析知，試件受力時，圓盤(試件橫斷面)中心上下(r為試件半徑)以上，但試件的抗壓強度比抗拉強度大得多(10~100倍)。因此，盡管受力點和靠近受(7-16)(7-16)R=tdh3.繪制相似材料配比圖表在大量的系統(tǒng)的配比實驗基礎上，通過綜合、整理制成配比圖表。表為中國礦業(yè)大學北京研究生部巖層移動實驗室制作的相似材料配比表，表為遼寧工程技術大學制作的4.制作模型的工藝進程依如實驗的要求，可制作不同尺寸的平面或立體模型。目前相似模擬實驗大多采納表相似材料配比表相似相似材料重度膠結物加水量加砂量材料物碳酸鈣(占總料量的1(占水量的比1度表相似材料配比表緩凝劑采用2%動物膠的水溶>2%~%~36%~%配比號RTRC相似材料N/cm310-2RcRt模型設計模型設計包括：搜集研究地域的地質柱狀圖、巖石物理力學性質和開采打算等有關地質采礦資料，確信與研究任務相適應的模型比例尺和重度比，擬定模型鋪設、觀測和開采方案，和備料和實驗人員安排。(2)計算相似材料用量a型比例為1:100，重度比為，按式(7-10)~(7-11)計算，那么相似材料的物理力學性[R]=lm.ym.[R]=10.66400=38.4N/cm2cmlycp100pp[R]=lm.ym.[R]=10.6618=3.7N/cm2tmlytp100ppm進行調整。c)依照確信的材料比例，按下式確信各分層材料的總量：m(7-17)每一分層中各類材料的重量按選中的比例進行計算。加水量緩和凝劑用量與配比實模型的鋪設(1)裝好模型架，鋪設好最下部的模板；(2)將每一分層所需要的各類材料別離稱好，倒入攪拌機中攪拌均勻；將所需的水(含緩凝劑)倒入攪拌機中，與材料混合攪勻；用金屬棍子在膠皮上來回滾壓，把材料壓實；(4)為保證初始條件相似，在剛鋪好的每一分層巖層中，用刻刀按必然距離切割裂(5)一直往上鋪設，護板隨之增高，直到所需高度為止。1.模型的開采模型鋪設完畢，拆除護板模型干燥幾天與相似材料試件干燥時刻相近。模型開采之前應將所有的觀測儀器和工具都安置好。模型開采按時刻比例進行。要嚴格按比例操縱開采厚度，開采工具一樣用雙鋸條中間夾木條組成，由木條的厚度調整，實現(xiàn)開采厚度調整。2.模型的觀測模型觀測的方式有插針法、反射儀法、顯微鏡法、攝影法和透鏡法等。這些方式能測出測點兩個方向的位移。也有效鋼板尺、百分表觀測測點的位移，但這些方式只能測出一個方向的位移。另外，也可用7V07數(shù)據(jù)自動巡回監(jiān)測系統(tǒng)，配合位移計和掃描箱進行觀測。此系統(tǒng)可安設200多個測點，能自動地進行數(shù)據(jù)的搜集和處置。下面簡要介紹最常應用的透鏡法[8]。利用透鏡法進行模型觀測的具體做法是：拆去護板后，在模型地表和反面巖層內插設測點。測點由燈絲有一尖角的特制小燈泡和燈座組成。在模型反面一側架設角鋼用以觀測確實是按幕上燈絲的影像展點獲取。L為透鏡主平面至幕的距離。依照相似三角形定理有：lL(7-18)距倒數(shù)及物距倒數(shù)之和，即11FLl(7-19)(7-20)將式(7-20)代入式(7-18)得：FALFFALF(7-21)F(7-22)在實際工作中，F(xiàn)值盡管可通過光學實驗測定，但L值較長精準測量較為困難，故上式利用不便。在成立模型架時，一樣都使幕與模型架平面平行，因此其間距D為一已(7-23)將式(7-23)代入式(7-22)，得：F(7-24)在幕的方格紙上讀出位移量(垂直分量和水平分量)后按式(7-24)、(7-22)能夠求得模型上測點的位移量(wm、um)。據(jù)此，由下式計算實地上的下沉量(wp)及水平移動量wwwpmluplum(7-25)(7-26)透鏡法觀測位移事實上確實是模型開采前后在幕的方格紙上按燈絲影像展點，從而點組成的幕上下沉或水平移動值的測定誤差m12121.4mm，當=20時，由式A(7-26)計算的ma=士。也確實是說，模型上每取得一個數(shù)據(jù)的誤差為，若是模型比例尺在30~40之間較適合。同時改變透鏡的質量和燈泡的亮度能提高觀測精度。相似材料模擬法在采礦工程中的應用實例[52](1)了解煤層頂?shù)装鍓毫ι⒉家?guī)律；(2)討論斷層煤柱的留設問題3.模型采納的相似條件時刻相似常數(shù)a=a=10，容重相似常數(shù)a=1.54，彈性模量、應力、抗拉tly對斷層按幾何相似條件單獨模擬，斷層面上C、0值的相似常數(shù)應當取與巖石[(]=lM.yM.[(]0=0MlyMMHHHlmm實現(xiàn)斷層面的模擬，待鋪到必然高度，抽出鐵片，在斷面間灌滿各類粒徑砂子和適量的云母粉。4.相似材料的配比相似材料的配比見表5.測點布置及測試方式(1)測點布置圖所示，為了測出斷層上下盤及煤柱中的應力散布，在煤層開采中布置了一條壓力為了監(jiān)測煤柱的變形和破壞情形，在煤柱中布置了一條位移測線I；在底板巖層中沿鉛垂方向布置了一條位移測線Ⅳ(每一個測點沿水平方向錯開5m)；為了取得斷層在開采進程中的活動規(guī)律，別離在斷層兩盤布置了兩條位移測線Ⅱ、Ⅲ。(2)測試方式表相似材料配比表98765432砂頁巖細砂巖砂頁巖石灰?guī)r煤砂頁巖石